专利名称：双向恒速偏频激光陀螺寻北方法及双向恒速偏频激光陀螺寻北仪的制作方法
技术领域：
本发明属于惯性导航设备技术领域，特别是激光陀螺寻北仪技术的改进。
背景技术：
激光陀螺现有多种偏频技术用于解决激光陀螺闭锁效应的影B向，其效果并不完 美。理论上只有"恒速偏频技术"能彻底消除"闭锁"效应的影响，但是工程上无法实现所要 求的精确恒速，所以至今国内外仍未攻克"恒速偏频技术"的技术难关。根据相关的文献报 道，美国利登公司率先在超高精度的惯性导航系统中应用了 "速率偏频技术"的激光陀螺， 这种"速率偏频技术"让装载激光陀螺的速率偏频转台在720°角的范围内往返换向转动， 约每两秒换向转动一次；它比"机械抖动偏频技术"(约400Hz左右的机抖频率)换向次数 少很多，采用特殊精确的换向限位装置，尽量縮短速率偏频转台换向变速过程造成激光陀 螺经过锁区的时间，其导航精度得到了明显的提高(大约一个数量级)。这是目前应用的最 先进激光陀螺偏频技术。其原理参见图1、图2。 但是，速率偏频技术激光陀螺"闭锁"效应的影响仍然是激光陀螺的主要误差源。
发明内容
本发明目的是在激光陀螺寻北仪中采用"双向恒速偏频技术"，达到完全消除激光
陀螺"闭锁"效应造成的误差，从而制造出角秒级的高精度寻北仪。需要克服的技术难题主
要包括1、设计大于360。角的双向恒速偏频转台同步电机换向和限动装置；2、精确控制
激光陀螺和加速度计只在偏频转台进入恒速旋转的整360°角区段采样工作，在该区段之
外激光陀螺和加速度计处于非工作状态。
具体地说，本发明是按照如下步骤实现 1.在绕垂直轴(1)旋转的双向恒速偏频转台(2)上，安装一只激光陀螺(3)和一 只加速度计(4)，将激光陀螺(3)的敏感轴偏离双向恒速偏频转台旋转平面13角，加速度 计(4)的输入轴(5)与偏频转台旋转平面平行，并与激光陀螺敏感轴在偏频转台旋转平面 的投影平行。 2.双向恒速偏频转台(2)由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个 凸台(6)与基座上安装的拨杆(7)及光电开关(8)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的 限位销(9)同时作为该转台的限位销，转台的转角被限定为360。 +2Y ;Y角的大小要保 证同步电机换向后达到同步转速。 双向恒速偏频转台(2)与精密测角装置连接，精密测角装置的零位应置于偏频转 台两个极限位置中间，即在2Y角的中间位置。 3.双向恒速偏频转台旋转角速度(± Jj在激光陀螺敏感轴上的分量
(士"sin-)用于将激光陀螺的工作区域移出闭锁区；旋转角速度(土 A)又同时对激光陀螺的剩余误差和加速度计的偏置及安装误差进行旋转调制。 4.计算机每个采样周期都采集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度a ，在 激光陀螺采样工作时，用该角度a对激光陀螺和加速度计的输出进行坐标变换。角度 a还可以计算角增量A a (A Qi = a ^ a卜》，用它可以消除激光陀螺输出中的偏频量 (± A asinP);当A a发生突变(即0°与360°正反向跳变)时，即认为该转台通过测 角装置的零点，此刻发出过零点信号，触发"启动"或"停止"激光陀螺和加速度计的连续采 样过程，使计算机每次连续采样过程都在偏频转台恒速转动的整360°范围内，这便保证了 激光陀螺是在"双向恒速偏频"状态下工作。 5.双向恒速偏频转台上加速度计的输出经坐标变换和误差旋转调制，能精确计算 出寻北仪的姿态角。该姿态角可用于精确调平寻北仪(调平寻北状态)，或者在有姿态角状 态下寻北时进行姿态角误差补偿。 实现上述寻北方法的双向恒速偏频激光陀螺寻北仪，其1.具有一个绕垂直轴(1) 旋转的双向恒速偏频转台(2)，在该转台上安装一个激光陀螺(3)和一个加速度计(4)且 激光陀螺(3)敏感轴偏离该转台旋转平面13角，加速度计(4)的输入轴(5)与偏频转台旋 转平面平行，并与激光陀螺敏感轴在偏频转台旋转平面的投影平行。2.双向恒速偏频转台 (2)由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个凸台(6)与基座上安装的拨杆 (7)及光电开关(8)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销(9)同时作为该转台的限 位销，转台的转角被限定为360。 +2y。 3.双向恒速偏频转台(2)与精密测角装置连接，精 密测角装置的零位应置于偏频转台两个极限位置中间，即在2 y角的中间位置。
本发明优点是 1、实现了"恒速偏频技术"在激光陀螺寻北仪中的应用，完全消除激光陀螺"闭 锁"效应的影响，大幅度提高激光陀螺的有效精度，使激光陀螺寻北仪也能达到角秒级的高 精度。 2、寻北仪内将激光陀螺敏感轴偏离双向恒速偏频转台旋转平面|3角，由该单轴
转台带动，使激光陀螺的恒速偏频和激光陀螺及加速度计误差旋转调制同时进行。
3、根据寻北仪工作可以间断进行的特点，选择在双向恒速偏频转台换向变速区段 内激光陀螺不进行采样，只有转台进入恒速旋转的一整转(360°角)区段时，激光陀螺才 进行采样工作。相比速率偏频转台，本发明的偏频转台限动器和换向机构的位置精度、机械 强度，以及驱动同步电机功率储备的要求都大幅度降低。
图1为现有偏频技术中"机抖偏频"方法示意图。 图2为现有偏频技术中"速率偏频"方法示意图。 图3与图4为本发明的"双向恒速偏频"方法示意图。 图5为本发明寻北仪"双向恒速偏频"结构示意图。 图6为本发明寻北仪中拨杆光电换向及限位装置示意图。 图7为调平寻北坐标系。
具体实施例方式
如图5所示，"双向恒速偏频"激光陀螺寻北仪寻北方法，其是按照如下步骤实现 (1)将激光陀螺敏感轴偏离双向恒速偏频转台旋转平面P角安装，由该转台带动旋转，使
激光陀螺的恒速偏频和误差旋转调制同时进行；(2)选择在转台进入恒速旋转的-段时，激光陀螺进行采样工作。 寻北仪内有一个绕垂直轴旋转的双向恒速偏频转台，在该转台上安装一个激光陀 螺和一个加速度计，激光陀螺敏感轴偏离该转台旋转平面P角，加速度计的输入轴与偏频 转台旋转平面平行，并与激光陀螺敏感轴在偏频转台旋转平面的投影平行，参见图5。双向 恒速偏频转台的旋转实现两个目的其一，是该转台旋转角速度在激光陀螺敏感轴上的分 量，实现对激光陀螺恒速偏频；其二，是对激光陀螺的其它剩余误差和加速度计的偏置及安 装误差进行旋转调制，使这些常值误差被调制成零均值的交变误差，经积分滤波得以消除。 加速度计经误差调制滤波，便可以精确测量寻北仪的姿态角，在有姿态角的情况下寻北，该 姿态角可以精确补偿由于姿态角而产生的寻北误差；在调平寻北状态下该姿态角可用于精 确调平寻北仪。双向恒速偏频转台由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个 凸台与基座上安装的拨杆及其光电开关控制同步电机的转向，参见图6，限制拨杆运动的限 位销同时也是该转台的限位销，转台的转角被限定为360。 +2y。 y角的大小要保证同步 电机换向后达到同步转速(其角度根据实际情况确定)。为保证激光陀螺采样工作在恒速 旋转时进行的条件，转台a零点角度位置应在2Y角中间位置。计算机每个采样周期都采 集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度a ，在激光陀螺采样工作时，用该角度a对激光 陀螺和加速度计的输出进行坐标变换。角度a还可以计算角增量A a (A ai = a r a卜》， 当A a发生突变时，即认为该转台通过测角装置的零点，此刻发出过零点信号，触发"启 动"或"停止"激光陀螺和加速度计的连续采样过程，使每次连续采样过程都在偏频转台正 反恒速转动的整360。范围内。这对于激光陀螺的其它剩余误差和加速度计的偏置及安装 误差进行旋转调制，和抵消转台测角装置与同步电机转速的误差是必要的条件。寻北仪内 的双向恒速偏频转台转角有限，可采用软电缆输电，避免使用接触式输电装置。
本发明"双向恒速偏频"激光陀螺寻北计算方法以调平寻北为例。X'轴激光陀螺 静(无偏频分量)输出角增量。
A Qx, = A Q ' x, ]i A a sinP 注当偏频转台反时针旋转时式中用"-"号；当偏频转台J
!时针旋转时式中用"+ "
X'轴角增量在偏频转台坐标系上的投影
<formula>formula see original document page 6</formula> 导航坐标系上的角增][OO37] 万位角计算 /g"<formula>formula see original document page 7</formula>
注解 1 X' _激光陀螺敏感轴； 2. A Q ' x,- —个采数周期激光陀螺的总输出角增量； 3. A Qx,- —个采数周期激光陀螺的静(无偏频分量)输出角增量； 4. a _偏频转台的角位置； 5. A a - —个采数周期偏频转台的转角(角增量)； 6.n-偏频转台一个整转(360° )的采数次数； 7.m-寻北过程偏频转台的整转数。 本发明中几个角度的含义及确定原则 a -偏频转台转角(某一时刻的角位置)； 《-偏频转台旋转角速度； A a -偏频转台一个采数周期的转角(角增量)； P-激光陀螺安装角； Y-偏频转台限动角在360°整转的两端各设置一个换向(反转)变速缓冲角, 偏频转台旋转角速度^在寻北仪中是根据误差旋转调制的需要而设置的。
<formula>formula see original document page 7</formula>
激光陀螺安装角13是为了使激光陀螺测量轴能得到偏频转台旋转角速度丑的一 个适当的投影分量，当P =0时，偏频转台旋转轴与激光陀螺测量轴垂直(90° )，投影分
量:'^in^-0，偏频转台就不能给激光陀螺提供偏频角速度。当e角大小合适时，投影分
量':^sin/ 就能使激光陀螺的工作区脱离激光陀螺的闭锁区。所以，e角的大小由激光陀
螺闭锁区(由激光陀螺质量而定)、被测角速度(地球自转角速度)最大值和偏频转台旋转 角速度^的大小来确定。
权利要求
双向恒速偏频激光陀螺寻北方法，其特征是按照如下步骤实施(1).在绕垂直轴(1)旋转的双向恒速偏频转台(2)上，安装一只激光陀螺(3)和一只加速度计(4)，将激光陀螺(3)的敏感轴偏离双向恒速偏频转台旋转平面β角，加速度计(4)的输入轴(5)与偏频转台旋转平面平行，并与激光陀螺敏感轴在偏频转台旋转平面的投影平行；(2).双向恒速偏频转台(2)由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，同时该转台上用一个凸台(6)与基座上安装的拨杆(7)及光电开关(8)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销(9)同时作为该转台的限位销，转台的转角被限定为360°+2γ；γ角的大小要保证同步电机换向后达到同步转速；双向恒速偏频转台(2)与精密测角装置连接，精密测角装置的零位应置于偏频转台两个极限位置中间，即在2γ角的中间位置；(3).双向恒速偏频转台旋转角速度在激光陀螺敏感轴上的分量用于将激光陀螺的工作区域移出闭锁区；旋转角速度又同时对激光陀螺的剩余误差和加速度计的偏置及安装误差进行旋转调制；(4).计算机每个采样周期都采集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度α，在激光陀螺采样工作时，用该角度α对激光陀螺和加速度计的输出进行坐标变换；(5).双向恒速偏频转台上加速度计的输出经坐标变换和误差旋转调制，精确计算出寻北仪的姿态角，该姿态角在调平寻北状态下用于精确调平寻北仪，或者在有姿态角状态下寻北时进行姿态角误差补偿。F2009102544841C00011.tif,F2009102544841C00012.tif,F2009102544841C00013.tif
2. 根据权利要求l所述的激光陀螺寻北方法，其特征是在步骤(4)中角度a还 可以计算角增量A a (A Qi = cii-Pi—》，用它可以消除激光陀螺输出中的偏频量 (± A asinP);当A a发生突变，g卩0°与360°正反向跳变时，即认为该转台通过测角 装置的零点，此刻发出过零点信号，触发"启动"或"停止"激光陀螺和加速度计的连续采样 过程，使计算机每次连续采样过程都在偏频转台恒速转动的整360°范围内，以保证激光陀 螺是在"双向恒速偏频"状态下工作。
3. 实现上述寻北方法的双向恒速偏频激光陀螺寻北仪，其特征是具有一个绕垂直轴 (1)旋转的双向恒速偏频转台(2)，在该转台上安装一个激光陀螺(3)和一个加速度计(4) 且激光陀螺(3)敏感轴偏离该转台旋转平面13角，加速度计(4)的输入轴(5)与偏频转台 旋转平面平行，并与激光陀螺敏感轴在偏频转台旋转平面的投影平行。
4. 根据权利要求3所述的激光陀螺寻北仪，其特征是将激光陀螺敏感轴偏离双向恒速偏频转台旋转平面P角安装由该转台带动旋转，旋转角速度士"^在激光陀螺敏感轴上的分量± ^為in》足以将激光陀螺的工作区域移出闭锁区，使激光陀螺的恒速偏频和激光陀螺及加速度计的误差旋转调制同时进行。
5. 根据权利要求3所述的激光陀螺寻北仪，其特征是双向恒速偏频转台(2)由带齿轮 减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个凸台(6)与基座上安装的拨杆(7)及其光电 开关(8)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销(9)同时作为该转台的限位销，转台 的转角被限定为360。
+2y ;y角的大小要保证同步电机换向后达到同步转速。
6. 根据权利要求3所述的激光陀螺寻北仪，其特征是双向恒速偏频转台(2)与精密测角装置连接，精密测角装置的零位应置于偏频转台两个极限位置的中间，即在2Y角的中间位置。
7. 根据权利要求3所述的激光陀螺寻北仪，其特征是计算机每个采样周期都采集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度a ，在激光陀螺和加速度计采样工作时，用该角度a对激光陀螺和加速度计的输出进行坐标变换。
8. 根据权利要求3所述的激光陀螺寻北仪，其特征是双向恒速偏频转台上加速度计的输出经坐标变换和误差旋转调制，能精确计算出寻北仪的姿态角。该姿态角在调平寻北状态下可用于精确调平寻北仪，或者在有姿态角状态下寻北时进行姿态角补偿。
9. 根据权利要求7所述的激光陀螺寻北仪，其特征是计算机每次对激光陀螺和加速度计进行连续采样的过程，都在偏频转台正反恒速转动的整360°范围内。
全文摘要
本发明属于惯性导航设备技术领域双向恒速偏频激光陀螺寻北仪，其具有一个绕垂直轴旋转的双向恒速偏频转台，在该转台上安装一个激光陀螺和一个加速度计且激光陀螺敏感轴偏离该转台旋转平面β角，加速度计的输入轴与偏频转台旋转平面平行，并与激光陀螺敏感轴在偏频转台旋转平面的投影平行。在激光陀螺寻北仪中应用“双向恒速偏频技术”，彻底排除“闭锁效应”对激光陀螺精度的影响，并对激光陀螺由其它原因产生的误差进行旋转误差调制滤波，使激光陀螺精度比现有的其它偏频技术有大幅度提高。从而可制造出角秒级高精度的激光陀螺寻北仪。
文档编号G01C19/00GK101738182SQ20091025448
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者张卫杰, 杨杰, 胡安禄, 谢玲, 赵永康, 赵治伟, 陈磊江 申请人:陕西宝成航空仪表有限责任公司